TEMA VIII RÉGIMEN DE ESTUARIOS

OBJETIVO: Analizar el funcionamiento hidráulico de estuarios y la estabilidad de los accesos costeros.

VIII.1 Origen, morfología y terminología estuarina.

Un estuario, del latín aestuarĭum, es la región donde desemboca  un curso de agua de gran caudal en el óceano. Suele estar compuesto por un único brazo de gran profundidad y tener forma similar a un embudo, con lados que se van alejando en la misma dirección que la corriente.

Es habitual que los estuarios presenten playas en sus costados y que, cuando se retiran las aguas, exhiban plantas que crecen en aguas saladas. Cabe destacar que, por lo general, el estuario se halla en zonas con mareas de gran amplitud.

El origen de un estuario está vinculado a la influencia que ejercen las mareas en la reunión de las aguas del río con las marítimas. Durante la pleamar, el agua marina ingresa al estuario y actúa como retención del agua que viene del río; en la bajamar, en cambio, la totalidad del agua entra con mucha fuerza en el océano, algo que deriva en una profundización del cauce.

Principales características

•    Áreas semicerradas donde el agua dulce y el agua de mar se juntan y se mezclan – zonas de intensos gradientes en las propiedades fisicoquímicas.

•    De las zonas más productivas de la Tierra.

•    A sus orillas se desarrollan marismas y manglares.

•    Algas y cianobacterias son abundantes.

•    Fondos en general fangosos favorecen altas densidades de gusanos, bivalvos y crustáceos.

•    Ambientes muy impactados por la actividad humana.

Clasificación morfológica de estuarios

Por oleaje

Dalrymple et. al. (1992) han considerado el desarrollo morfológico como parte de una secuencia evolutiva, que es determinada por la influencia de la intensidad del río, el oleaje y las mareas.

Estuarios dominados por oleaje: distribución de la energía.

En la boca de tales estuarios, las olas edifican barreras litorales emergidas o subacuáticas que impiden a las olas y a las corrientes de mareas entrar en el estuario (hipo sincrónico).

Por lo tanto, la energía detrás de dicha barrera es débil y, si la desembocadura está totalmente tapada, se forma una laguna.

Por disminución de la pendiente y aumento de la sección por la cual transita el agua (disminución del gradiente hidráulico), la energía del río decrece hacia el mar.

De modo que, los estuarios dominados por las olas están caracterizados por una alta energía en la boca, un mínimo muy pronunciado en la parte central, y nuevamente una buena energía fluvial en el fondo.

Morfología y repartición de las facies

 La distribución de la energía induce una repartición grueso-fino-grueso de las facies desde la boca hacia la desembocadura. En la boca, el cuerpo arenoso marino tiene las características de las arenas de playa o de barrera. En la parte tras-playa se observan abanicos de desborde (washover).
    En la parte central de baja energía se depositan lodos orgánicos finos y bioturbados de tipo prodelta o laguna. Si actúan las mareas, se presentan canales. En las orillas, se desarrollan llanuras costeras.
En el fondo, las arenas y/o conglomerados fluviales forman un delta que progresa dentro del estuario (bay-head delta). Ya que no entran las olas y las mareas, tendrá las características de un delta dominado por el río.
 

Por mareas

Se forman como resultado de corrientes de marea importantes respecto al efecto del oleaje. La boca generalmente tiene bancos de arena que son alineados con el flujo de la corriente y alrededor de los cuales circula el sedimento.

Distribución de energía

En la cabeza del estuario la influencia de la marea disminuye y el flujo de río se vuelve dominante. Estos estuarios suelen ocurrir en zonas de condiciones macromareales e hipersincrónicas.

Por otro lado, la forma de embudo provoca la aceleración de las corrientes de marea aguas arriba (estuario hipersincrónico), hasta el punto donde la fricción contra el fondo y los bordes compense dicha energía (límite de influencia de las mareas).

VIII.2 Régimen de vasos a marea libre.

Se ha establecido el régimen de flujo en el estuario, a través del análisis de los campos de formas de fondo presentes en el lecho del cauce mediante la utilización de la Sonda Multihaz. El estudio ha permitido deducir el régimen de flujo dominante en diferentes tramos del río y establecer el grado de hidrodinamismo que soporta el medio. Los resultados indican un régimen moderado con tendencia al equilibrio, caracterizado por la alternancia de tramos de alta, media y baja energía, consecuencia de las variaciones de la corriente media en cada tramo. El proceso deposicional dominante es el transporte, aunque la erosión y sedimentación también están presentes localmente.

Aunque el régimen deposicional esté principalmente controlado por la acción fluvial, dominada ésta por las crecidas estacionales, la acción marina es también un factor esencial de la dinámica de la ría, dominada esencialmente por las mareas. Otro factor, como la acción antrópica, es actualmente determinante, debido a las grandes modificaciones realizadas en la cuenca y en cauce fluvial, tales como, presas y embalses, canales, diques, muelles, esclusas y dragados, que han alterado la fisiografía y el régimen hidráulico y deposicional natural del río.

Clasificación de estuarios por mareas

Davies (1964) realizó una clasificación de los estuarios basada en sus rangos de mareas:

           Tipo                                      Rango

 Micromareales                              < 2 m
        Mesomareales                          < 4 m, > 2 m
       Macromareales                        < 6 m, > 4 m

 Hipermareales                               > 6 m

    En estuarios con mareas de alto rango el volumen del agua entre pleamar y bajamar, prisma de mareas, es grande comparado con el volumen de marea baja.

    La interacción entre la propagación de la marea en el estuario y la morfología conllevan a variaciones en el rango de la marea y en la fuerza de las corrientes.

    La convergencia a los lados del estuario comprimen el oleaje lateralmente, y la marea incrementa si la fricción es baja, así como la fricción en aguas poco profundas disminuye la marea.

 

VIII.3 Corrientes de densidad y cuña salina.

Corriente de densidad

Se produce una variación de densidad entre las masas de agua situadas en distintas profundidades debido a diferencias de temperatura y salinidad entre ellas. La tendencia natural es a compensar esta diferencia de densidad, por lo que una de las masas se desplaza hacia la otra a una velocidad proporcional a la diferencia de densidad. Estas corrientes generalmente son suaves.  Las aguas más frías o con mayor salinidad son más densas y tienden a hundirse, mientras que las aguas más cálidas o menos salinas tienden a ascender. De esta forma se generan corrientes verticales unidas por desplazamientos horizontales para reemplazar el agua movida. Por ejemplo, el agua de la superficie puede sufrir un aumento de salinidad por evaporación y a partir de esto originarse una corriente en el sitio.

Estuario de cuña salina

En ellos, el volumen de río es mucho mayor que el volumen de marea, o allí no están presentes las mareas, o éstas son muy débiles.

Ejemplos de grandes estuarios de cuña salina son los ríos Mississippi y Congo. Otros ejemplos pueden ser de tan solo unos pocos kilómetros de longitud. El Río de la Plata se comporta en parte como un estuario de cuña salina, aunque su gran ancho hace que sea muy sensible a los vientos y sienta la fuerza de Coriolis, por lo cual también tiene características de mar mediterráneo.

En estos estuarios de cuña salina, el agua dulce (que es mucho menos densa) fluye sobre el agua marina (que es mucho más densa) en una capa delgada. Toda la mezcla se restringe a una delgada capa de transición entre el agua dulce en la parte superior y la cuña de agua salada en la parte inferior.

 La figura a continuación ilustra la situación.

Salinidad de un Estuario de Cuña Salina

En la parte superior de la figura se muestra como una función de la profundidad y distancia a lo largo del estuario, los números indican la ubicación de las estaciones.

En la parte inferior se observan perfiles verticales de salinidad para las estaciones 1 - 4.

La salinidad superficial es aproximadamente cero en todas las estaciones, la salinidad en el fondo se aproxima a la oceánica.

VIII.4 Estabilidad de accesos costeros.

Los ecosistemas procesan materiales y energía para crecer, desarrollarse, y responder a las fuerzas externas, así como también para mantenerse a ellos mismos. El procesamiento más importante que ha sido reconocido ocurre en tres formas:

El ciclaje de los varios elementos naturales a través de diferentes formas químicas, y entre los organismos y su medio ambiente físico. El ciclaje de carbón, nitrógeno, fósforo, oxígeno, y sulfuro, es particularmente importante dado que estos elementos se encuentran en altas concentraciones en todos los organismos vivientes. El carbón constituye la “espina dorsal” de la materia orgánica. A menudo, la disponibilidad tanto de nitrógeno como de fósforo controla la cantidad de producción de materia orgánica a través de la fotosíntesis. La disponibilidad de oxígeno puede determinar la viabilidad de un hábitat puesto que, todos los animales requieren oxígeno para vivir, y, por la preponderancia de sus reacciones químicas con de otros elementos. También, algunos compuestos del sulfuro pueden determinar otras reacciones, y el sulfuro de hidrógeno puede inducir tensión en los organismos y causarles daño.

Las interacciones dentro de las redes alimentarias a través de dinámicas tróficas. Todas las actividades mencionadas anteriormente están vinculadas al comportamiento de los organismos. En forma colectiva a estas actividades se les conoce como “funciones de los ecosistemas”. En la actualidad estamos conscientes de que los seres humanos se benefician de estas funciones de los ecosistemas. Los ecosistemas saludables prósperos generalmente proveen más beneficios que aquellos que se encuentran sometidos a presiones o que están deteriorados. Sabemos que los estuarios saludables son particularmente benéficos debido a las formas en que los usamos. Un artículo ampliamente citado y controvertido estima que las funciones de los estuarios tienen el valor financiero más alto por área de todos los ecosistemas de la tierra.4 Estas funciones y recursos proveen los “servicios” de los ecosistemas. La protección y el manejo de los estuarios dependen del reconocimiento del valor que le demos a estos servicios. 

Los estuarios y sus humedales le suministran los siguientes servicios a los seres humanos:

•    Comida. Muchas de las especies de comida de mar que nosotros consumimos son recolectadas en los estuarios, o dependen de ellos para alguna parte de su vida -estas especies incluyen tanto mariscos como pescados. Los estuarios mantienen la pesca tanto comercial como de recreo.

•    Estas plantas y algas proveen comida para otros organismos: en forma directa, cuando se las comen; en forma indirecta, después de que se mueren y el detrito restante es procesado; o, indirectamente cuando los depredadores se alimentan de presas que han obtenido alimento ya sea directa o indirectamente de las plantas o algas. La comida de mar que recolectamos de los estuarios proviene de estas redes alimentarias.

•    El movimiento del agua, su almacenamiento, y la energía asociada con el movimiento o depósito de materiales. Cada estuario tiene su propia morfología, su propio régimen de entradas de agua dulce y agua salada, y su propio patrón de marea. Todo esto controla cómo circulan los materiales en el estuario, cuánto tiempo les toma, y en última instancia, la configuración misma del estuario. Las actividades biológicas del ciclaje de los elementos y de las redes alimentarias, así como la forma en que se mantienen los ecosistemas a medida que cambia el nivel del mar, dependen de estas características. 

    •  Tratamiento de los desechos y la escorrentía. Los nutrientes y la materia orgánica que ingresan a los estuarios provienen de una variedad de fuentes. Las plantas de tratamiento de aguas servidas y los sistemas sépticos descomponen la mayoría de los desechos humanos, pero algunos nutrientes continúan escapándose hacia las vías acuáticas. La escorrentía proveniente del uso de las zonas urbanas y agrícolas usualmente no recibe tratamiento, lo cual le agrega mas nutrientes al estuario. En los estuarios, la producción primaria, la descomposición, y el ciclaje de los elementos sacan y secuestran estos nutrientes, y retiran materia orgánica.

  •  Recreación. La pesca y la navegación recreativas, la natación, y la observación de aves dependen de la integridad tanto física como biológica de los estuarios.

   •  Protección contra los riesgos provenientes de la naturaleza. Los sistemas costeros son altamente susceptibles a una variedad de tormentas capaces de transformar el entorno y de causar daño tanto a las personas como a las edificaciones. Los estuarios y sus humedales pueden mitigar los impactos de estas tormentas dispersando las descargas de los ríos, amortiguando la acción de las olas, y almacenando agua en forma temporal.

Transporte y operaciones marítimas. Una de las razones por las cuales nuestras ciudades más antiguas fueron construidas en estuarios fue para tener acceso al transporte marítimo inmediato vinculado a puertos seguros. Esto continúa siendo cierto, y este comercio depende de una conexión permanente con el mar. Para el comercio marítimo, tener refugio de las tormentas también es importante.

 TEMA VII SOCAVACIÓN Y ENCAUZAMIENTO

OBJETIVO: Evaluar los diferentes tipos de socavación que se producen en cauces y pérdidas de suelo en cuencas.

La socavación es el resultado de la acción erosiva del flujo de agua que arranca y acarrea material de lecho y de las bancas de un cauce, convirtiéndose en una de las causas más comunes de falla en puentes.

VII.1 Socavación general de un cauce natural.

La general es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinámica de la corriente y está relacionada con la conformación del nivel de base. Es un fenómeno a largo plazo, aun cuando eventos catastróficos pueden acelerarlo.

VII.2 Socavación transversal, en curvas y locales.

    La socavación en curvas es cuando un río describe una curva existe una tendencia en los filetes líquidos situados más lejos del centro de curvatura a caminar más aprisa que los situados más hacia el interior; como consecuencia, la capacidad de arrastre de sólidos de los primeros es mayor que la de los segundos y la profundidad de erosión es mayor en la parte del cauce exterior a la curva que en la interior. El efecto es importante y ha de ser tenido en cuenta en la construcción de puentes en curvas de río o en el diseño de enrocamientos de protección en los mismos lugares pues al disminuir la velocidad la curva aumenta el depósito en esta zona y, por ello, disminuye la zona útil para el flujo del agua y al aumentar la profundidad y el área hidráulica, aumenta el gasto.

    La socavación local se presenta en sitios particulares de la corriente y es ocasionada por el paso de crecientes y por la acción de obras civiles, como obras de encauzamiento, espolones, puentes con pilas o estribos dentro del cauce, obras transversales de control, etc.

VII.3 Pérdida de suelo en cuencas.

Puede considerarse que la pérdida de suelo en cuencas en tres fases principales: remoción de las partículas del suelo, transporte y depósito del material sólido (sedimentos). El sedimento viaja de las partes más altas de las cuencas hacia las más bajas.

En algunos casos, el material sólido llega hasta los océanos, o bien se deposita en zonas interiores de la cuenca, o en los embalses.

 

VII.4 Obras para control de socavación, en márgenes del cauce y locales al pie de estructuras.

El diseño de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se conozcan los resultados de los estudios hidráulicos y geomorfológicos del tramo que recibe la influencia de la construcción de dichas obras. Los resultados de los estudios hidráulicos y geomorfológicos presentan pronósticos sobre la evolución futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales medios, mínimos y de creciente, niveles mínimos, máximos y medios, posibles zonas de inundación, velocidades de flujo, capacidad de transporte de sedimentos, socavación y agradación.

Las obras más comunes en corrientes naturales son las siguientes:

Obras transversales para control torrencial.

Operan como pequeñas presas vertedero. Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo en un tramo específico, aguas arriba de la obra. Actúan como estructura de control. Pueden fallar por mala cimentación, o por socavación generada inmediatamente aguas abajo.
 

Espolones para desviación de líneas de flujo.

Son estructuras agresivas que, en lo posible, deben evitarse porque pueden producir problemas erosivos sobre las márgenes del tramo aguas abajo.
 

Espolones para favorecer los procesos de sedimentación.

Son efectivos cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de sedimentos en suspensión. Son estructuras permeables, cuyo objetivo es inducir la sedimentación en un tramo adyacente, aguas arriba de las obras. Pueden fallar por erosión en la punta del espolón o en el tramo inmediatamente aguas abajo.
 

Obras marginales de encauzamiento.

Son obras que se construyen para encauzar una corriente natural hacia una estructura de paso, por ejemplo un puente, box-culvert, alcantarilla, etc. Deben tener transiciones de entrada y salida. En el diseño debe considerarse que estas obras de encauzamiento producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente incremento en la socavación del lecho.
 

Obras longitudinales de protección de márgenes contra la socavación.

Son muros o revestimientos, suficientemente resistentes a las fuerzas desarrolladas por el agua. En algunos casos también deben diseñarse como muros de contención. Pueden fallar por mala cimentación, volcamiento y deslizamiento.
 

Acorazamiento del fondo.

Consisten en refuerzo del lecho con material de tamaño adecuado, debidamente asegurado, que no pueda ser transportado como carga de fondo. Algunas veces la dinámica del río produce tramos acorazados en forma natural. El fondo acorazado es un control de la geometría del cauce.

 

Protección contra las inundaciones. 

Son obras que controlan el nivel máximo esperado dentro de la llanura de inundación. Pueden ser embalses reguladores, canales adicionales, dragados y limpieza de cáuces, o jarillones. Estas obras pueden ser efectivas para el área particular que se va a defender, pero cambian el régimen natural del flujo y tienen efectos sobre áreas aledañas, los cuales deben ser analizados antes de construir las obras.

TEMA VI TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

OBJETIVO: Cuantificar el gasto sólido en un cauce en sus diferentes formas.

Los materiales sedimentados, después de cierto acarreo finalmente son depositados a lo largo de los propios cauces, en lagos, en presas de almacenamiento, en la planicie y hasta el mar.

VI.1 Gasto sólido de fondo.

La partículas mayores a 0.062 mm y pueden ir dentro de la capa de fondo (arrastre) o en suspensión (según Einstein la capa de fondo es aquella cuya altura es igual a 2 veces el diámetro de la partícula).

El transporte de fondo depende de las características hidráulicas de la corriente (hidráulica fluvial) y en cambio un rio puede transportar tanto material de suspensión como llegue a el, independientemente de sus características hidráulicas.

SEDIMENTOS DE ARRASTRE DE FONDO

Se conocen hasta 17 ecuaciones para calcularlas. 

Una de ellas es la MEYER-PETER Y MULLER

Donde:

• qB= transporte unitario de sedimentos expresado en volumen (m3/s m)
• Dm = diametro medio, m
• E = densidad relativa de las particulas dentro del agua =(γs – γ)/γ
• Γs y γ = peso espeficico de las partículas del agua

VI.2 Gasto sólido en suspensión.


Las partículas pequeñas pueden permanecer en suspensión por un tiempo largo y algunas veces cruzan la presa a través de compuertas, turbinas o vertedores para determinar la cantidad de sedimentos suspendidos se realizan mediciones en las corrientes y dichas muestras son llevadas a un laboratorio. La muestra es filtrada para separar los sedimentos. Los sedimentos son secados y pesados expresando su concentración en el agua en unidades de en partes por millón (ppm). El programa bandas reporta concentraciones de sedimentos en los ríos.

El último destino de todos los sedimentos son los fondos de los embalses. Grandes producciones de sedimentos acortan la vida útil de un embalse.

Para determinar la capacidad muerta de un embalse (para azolves) se debe considerar la producción de sedimentos para los n años de vida útil planeada para el embalse.

El peso específico del sedimento varía de acuerdo a la edad del depósito (t  en años) y del tipo de sedimento.



VI.3 Gasto sólido total.

VOLUMEN DE SEDIMENTOS EN m3

 Donde:

• R= produccion de sedimentos por unidad
• area de la cuenca, Ton/Km2 = Qs/Ac
• Ac = area de la cuenca en km2
• wt = peso especifico o densidad aparente de los sedimentos, kg/m3

TEMA V PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS EN UN CAUCE

OBJETIVO: Analizar las principales propiedades del binomio agua-suelo, que permitan estudiar los problemas fundamentales de la hidráulica fluvial.

La hidráulica fluvial es la rama de la hidráulica que estudia las  interacciones entre  los flujos de agua y sedimento. de aquí la  importancia de conocer las propiedades del agua, de los sedimentos y  la manera como estos se originan.
La superficie de la tierra es atacada principalmente por dos agentes,  el aire y el agua. Dichos agentes son el detonante de los diversos  procesos físicos y químicos que destruyen y transforman las rocas.  Cuando esto ocurre se dice que la roca ha quedado intemperizada.

Clasificación de los procesos de intemperización:

•los que causan la desintegración física o mecánica de las rocas y
•los que originan descomposición química.

La desintegración mecánica comprende:

•cambios periódicos de temperatura: calentamiento y enfriamiento debido a cambios  de temperatura diurnos o estacionales.
•congelación: al quedar atrapada el agua en los poros y fisura de la roca, al  congelarse se dilata provocando la fractura de la roca productos esperados: gravas y arenas principalmente, en ocasiones  limos (la roca es quebrada y luego se va fragmentando).

V.1 Distribución teórica de la granulometría

Tamaño.

 La propiedad más importante de una partícula de sedimento es su tamaño por lo cual, ha sido la única propiedad que caracteriza los sedimentos. Solamente si la forma, densidad y distribución granulométrica son semejantes en diferentes sistemas hidráulicos, se pudiese considerar que la variación de su tamaño define la variación del comportamiento del sedimento.

Forma.

 Es una característica que determina el modo de movimiento de la partícula (grano de forma aplanada, en el lecho, difícilmente se mueve por rotación, pero sí se desplazan fácilmente o, eventualmente pueden saltar) Normalmente se define a través de la redondez, esfericidad y el factor de forma.

Densidad. 

Es la relación entre la masa que posee una partícula y su volumen. La gravedad específica,  se define como la relación entre la densidad de la partícula sólida y la densidad del agua a 4 grados centígrados. La mayoría de los sedimentos de los ríos son cuarzos o feldespatos cuya gravedad específica es 2.65; sin embargo, varía desde 1.35 a 1.70 para la piedra pómez hasta 7.6 para la galena.
Peso específico. Es la relación entre el peso de la partícula y su volumen. Es igual al  producto de la densidad por la aceleración de la gravedad.

Porosidad n

Se define como la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de granos o volumen de sedimentos.

V.2 VELOCIDAD DE CAIDA DE UNA PARTICULA

Este parámetro ayuda describir el comportamiento de las partículas en el seno de un líquido, la velocidad de caída es la velocidad que adquiere una partícula al caer dentro de un líquido y se alcanza cuando el peso de la partícula se equilibra con el empuje ascendente que ejerce el líquido sobre la partícula. El valor de la velocidad de caída depende del tamaño y forma de la partícula, de la viscosidad y de la temperatura.

 

V.3 INICIO DE ARRASTRE EN SUELOS COHESIVOS Y GRANULARES.

La determinación de la condición crítica de arrastre es una actividad importante en la ingeniería de ríos, ya que permite inferir las condiciones que originarían el acarreo o transporte de partículas del material del cauce, o bien las que favorecerían su depósito, de ahí que sea fundamental para el diseño, por ejemplo, de canales sin revestimiento y de protecciones de enrocamiento.

En una muestra de suelo no cohesivo  interesa conocer la forma en que están distribuidos los tamaños de las partículas que el tamaño de una sola de ellas. Se trata de conocer la granulometría real o característica del material que constituye el lecho de un tramo de río.

Análisis Granulométrico: Consiste en hacer pasar la muestra de material a través de un juego de mallas y en pesar el material retenido en cada una de ellas. Con lo que se obtiene la

La Representación Gráfica. Consiste en representar la magnitud de los valores de la Tabla de Distribución de Frecuencias (TDF) en diferentes tipos de papel de los tipos de sedimentos. El resultado de esta representación gráfica se le conoce como Curva Granulométrica (CG).

V.4 Diseño de cauces sin arrastre.

A lo largo de su curso, los ríos y canales sin revestimiento pueden ser erosionados por el paso de las aguas, porque los materiales que los constituyen no siempre son capaces de resistir la fuerza de arrastre, la cual se genera por el movimiento o escurrimiento de las aguas, ya que dicha fuerza crece conforme aumenta la velocidad de la corriente.

La situación que define las condiciones necesarias para que un flujo de agua inicie el movimiento, arrastre o transporte de las partículas sedimentarlas que forman el material de un cauce, se denomina movimiento incipiente, movimiento crítico, condición crítica de arrastre, inicio de arrastre o transporte incipiente. Sin embargo, la condición de movimiento incipiente es diferente de la de transporte incipiente, pues la primera describe una situación instantánea en que una o varias partículas comienzan a moverse, pero ello no significa que una vez que se han movido continúen haciéndolo, como ocurre en las situaciones de arrastre o transporte incipientes.

El método de la velocidad permisible y el método de la fuerza tractiva, cualquiera de ellos solamente da una guía y no remplaza la experiencia y buen criterio del ingeniero.

TEMA IV OBRAS DE DEFENSA Y ABRIGO

Objetivo: diseñar obras de protección y canales de acceso.

IV.1 Función y clasificación de las obras de protección.

•    Clasificación de obras

Son obras destinadas a evitar la erosión y la socavación en ríos y esteros producto del flujo del agua.

Las obras en los cauces, casi sin excepción, producen estrechamientos que originan las aceleraciones y desaceleraciones que arrastran el material del cauce produciendo la erosión. Las obras de defensa están destinadas a controlar este problema.

Se identifican con claridad dos tipos de socavación en los cauces:

   Socavación General: se produce con ocasión de grandes crecidas, durante las cuales el agua arrastra material en suspensión aumentando con ello el área de la sección transversal de la sección de escurrimiento. Al producirse la recesión de la crecida el material en suspensión precipita y se deposita en el fondo. Este tipo de socavación se produce de manera natural y no depende de la existencia de obras civiles artificiales.

   Socavación Local: en este caso, la socavación ocurre en puntos localizados y en general está asociada a la existencia de obras civiles presentes en el cauce. Es un fenómeno que persiste mientras persista el elemento que lo produce.

•    Tipos de obra

    Enrocamiento: Los enrocados son revestimientos del cauce ejecutados por medio de la colocación ordenada de grandes rocas que por su peso y trabazón no son removidas por el flujo. Se disponen tanto en el fondo como en las orillas del cauce, y su diseño se realiza en función de la velocidad del flujo y de la profundidad de las socavaciones esperadas.

Los enrocados se pueden construir con una o más capas de rocas. Su estabilidad depende del ángulo que la cara mojada presenta respecto a la vertical. Se fundan a una profundidad mayor que la socavación general o local esperada. Se pueden definir dos tipos de enrocados.

    Enrocados simples: son aquellos que se instalan sueltos, sin un material aglutinante.

    Enrocados Consolidados: en este caso, se dispone un material que produce adherencia entre las rocas, como el concreto.

Este tipo de obras se utilizan en las siguientes situaciones:

• Para provocar los estrechamientos por aguas arriba de obras como bocatomas y puentes y para evitar la erosión en las expansiones del flujo que ocurren aguas abajo de esas mismas obras.
• Protección del fondo del cauce a la salida de compuertas y radiares.
• Construcción de barreras fijas en bocatomas.

    Espigones: rompeolas o escollera es una estructura no lineal construida con bloques de mármol de dimensiones considerables, o de elementos prefabricados de tierra, llamados catrápodos, cuando la piedra se seca, son colocados dentro del agua, en ríos, arroyos o próximos a la costa marítima, con la intención de aumentar el flujo en varias direcciones determinadas, aumentar el oleaje o evitar la decantación de arena.

    Gaviones: los gaviones son contenedores de piedras retenidas con malla de alambre. Se colocan a pie de obra desarmados y, una vez en su sitio, se rellenan con piedras del lugar.

Los muros de gaviones están diseñados para mantener una diferencia en los niveles de suelo en sus dos lados constituyendo un grupo importante de elementos de soporte y protección cuando se localiza en lechos de ríos.

El gavión acelera el estado de equilibrio del cauce. Evita erosiones, transporte de materiales y derrumbamientos de márgenes, además el gavión controla crecientes protegiendo valles y poblaciones contra inundaciones.

    Muros de borde: Estas obras cumplen con la función de evitar el rebose del agua hacia lugares no deseados, producto de la existencia de sectores en que el borde es bajo o no existe. En general se construyen en canales en zonas de cruces de quebradas, bajos, desagües y, en general, atraviesos de sectores en terraplén.

Estos muros pueden estar construidos con materiales definitivos o rústicos de distinto tipo:

• Hormigón simple o armado
• Albañilería de piedra
• Mamposterías de pircas
• Tacos de tierra y champas
• Gaviones estucados o con hormigón proyectado

IV.2 Diseño de rompeolas.

El objetivo de la construcción de un rompeolas es establecer una zona de mar en calma en la que las embarcaciones se puedan amarrar con seguridad durante períodos meteorológicos adversos. Es, por lo tanto, importante para la comunidad local que el rompeolas sea capaz de soportar el impacto de las olas normalmente propias de la zona. La no consecución de estos objetivos en situaciones normales (sin contar el efecto de tormentas extraordinariamente fuertes) podría provocar daños considerables a la flota pesquera. Para evitar que esto suceda se deberán tomar todo tipo de precauciones al construir un rompeolas a nivel artesanal con muy poca o ninguna ayuda o supervisión por parte del ministerio de obras públicas. De hecho, en litorales rocosos, no se debería intentar construir rompeolas en profundidades superiores a los 3m sin contar con asistencia técnica, debido a la compleja naturaleza de las olas en aguas más profundas. Por otra parte, en las costas arenosas siempre debe recabarse el asesoramiento de expertos, cualquiera que sea la profundidad del agua.

Sección transversal típica de un rompeolas de escollera.

El rompeolas típico consiste en una cresta de piedra basta, también llamada núcleo, cubierta o protegida por recubrimientos o capas de piedras más pesadas

    El núcleo: Normalmente consiste en desechos de cantera sin las partículas finas (polvo y arena) vertidos en un montón en el mar por medio de un camión volquete. Para facilitar el vertido por medio de un camión, el núcleo debe tener preferiblemente una anchura de 4 a 5m en su extremo superior y encontrarse a una altura aproximada de 0,5 m por encima del nivel medio del mar o, cuando hubiera una gran amplitud de mareas, por encima del nivel de pleamar en marea viva. El extremo superior del núcleo se deberá mantener nivelado y uniforme por medio de una máquina explanadora a fin de permitir que los camiones volquete puedan viajar a lo largo de todo el rompeolas. Cuando se echa al agua, el núcleo de escollera queda descansando con una pendiente aproximada de 1 a 1, lo que quiere decir que su nivel desciende en 1 m por cada metro que avanza. Dado el poco peso de la escollera en el núcleo, todo el trabajo de construcción relacionado con rompeolas deberá efectuarse durante las estaciones de más calma.

    La primera capa inferior: La primera capa inferior de piedra que protege el núcleo de escollera para impedir que sea arrastrado normalmente consiste en piezas sueltas de piedra cuyo peso varía entre un mínimo de 500 kg hasta un máximo de 1000 kg.

Estas piezas se depositan normalmente en dos capas como mínimo con una pendiente que es generalmente menos acusada que la del núcleo, 2,5/1 en la pendiente exterior y 1,5/1 en la pendiente interior. Una pendiente de 2,5/1 quiere decir que el nivel desciende 1 m por cada 2,5 m de avance. La primera capa de piedra puede ser colocada con una excavadora hidráulica. También se puede utilizar una grúa normal si hay espacio para las patas de apoyo; no se deben utilizar las grúas con ruedas de goma en ningún momento sobre un núcleo desnivelado sin que sus patas de apoyo se encuentren en la posición extendida

.
La excavadora debe colocar la piedra más pesada tan rápido como sea posible sin dejar demasiado núcleo de escollera expuesto a la acción de las olas. Si llegara una tormenta al lugar con demasiado núcleo expuesto, existe el grave peligro de que el núcleo sea arrastrado y distribuido por las olas en toda la zona de construcción del puerto.

Se muestran en las figuras la distribución de un perfil de piedra determinado, en este caso con una pendiente de 2,5/1: la distancia H es la altura de la parte superior de la nueva capa descendente por encima del nivel del fondo del mar. Sería conveniente colocar una pértiga de madera en la punta del núcleo subyacente y fijarla en su sitio con mortero. Se debería colocar una plomada pesada de piedra en el fondo del mar con una boya marcadora a una distancia igual a 2,5 x H. Posteriormente se debería llevar una cuerda de nilón de un color fuerte desde la plomada a la altura requerida de la pértiga. Este procedimiento debe repetirse cada 5 m a fin de ayudar al operador de la grúa o de la excavadora a colocar la capa superior. Un nadador equipado con gafas de buceo debe asegurarse de que cada una de las piedras sueltas quede colocada dentro del perfil señalado.

    La capa principal de protección: La capa principal de protección, como su propio nombre indica, constituye la defensa principal del rompeolas a la embestida de las olas. La existencia de cualquier tipo de defecto en la calidad de la roca (Capítulo 4), graduación (tamaño demasiado pequeño) o colocación (pendiente desnivelada o demasiado acusada) pondría a todo el rompeolas en grave peligro. Por esto se deberá tener mucho cuidado al seleccionar y colocar las piedras correspondientes a la capa principal de protección.

Colocación del núcleo de la escollera.
 

Colocación de la capa inferior.

Estas piedras grandes se deben izar una a una utilizando una eslinga o valvas mordientes y colocar en el agua con la ayuda de un submarinista o de una embarcación con tripulación equipada con un tubo con un cristal tapando uno de sus extremos. La capa de protección se debe colocar piedra a piedra en una secuencia que asegure su interconexión; por ejemplo, la piedra número 2 es mantenida en su sitio entre las piedras 1 y 3, mientras que la piedra 4 está bloqueada entre las piedras 3 y 5

Colocación de la capa principal de protección.

Se asegura así que una ola no pueda arrancar una de las piedras y hacer que las que están encima caigan por la pendiente, rompiendo la capa de protección y exponiendo la escollera más pequeña que hay debajo. Para asegurar la correcta colocación de las piedras, el submarinista o ayudante en la embarcación debe dirigir al operador de la grúa cada vez que se coloca una nueva piedra hasta que la capa de piedras sobrepase la superficie del agua. Al igual que con la primera capa inferior, se necesitan dos capas de piedras de protección para completar la capa principal de protección.

 Excavadora hidráulica colocando la escollera sobre la cresta.

Muestra la excavadora retrocediendo al principio del rompeolas cerrando las capas superiores simultáneamente. El final o cabezal del rompeolas es la parte más delicada del mismo y requiere un mayor cuidado. Se deberá aumentar la pendiente exterior de 2.5/1 a 3/1 a fin de mejorar la estabilidad.

IV.3 Diseño de muros verticales.

•    Diseño de muros verticales

Para la construcción de un rompeolas de paredes verticales, se usan dos métodos básicos: pantallas arriostradas y muros de gravedad. Las pantallas son estructuras con tablestacas de acero, concreto o madera, hincadas en el terreno en una o dos filas, y cuya estabilidad está relacionada con su capacidad como voladizo.

El cálculo se realiza con las fórmulas de empuje lateral en suelos y de capacidad estructural de elementos. Cuando se usa una fila, la pantalla también puede arriostrarse con pilotes. En un sistema de dos filas, se usan anclajes entre ellas y se rellena el espacio interior con arena o piedra. Los muros de gravedad son estructuras que soportan el oleaje y sub-presiones por medio del peso propio.

El terreno donde se cimientan debe poder soportar dicho peso con seguridad y sin asentamientos significativos. Se forman con bloques de concreto, cajones de concreto o madera, y celdas circulares de acero. Tanto los bloques como los cajones son colocados sobre una berma en el fondo marino. Los bloques se van instalando uno a uno traslapando las piezas previas, generalmente sin cementante entre ellos. Los cajones son estructuras huecas que usualmente son construidas o flotadas desde tierra y hundidas en su posición rellenando con arena o piedra.

Las celdas de acero se forman por tablestacas planas hincadas en el terreno formando figuras circulares que se rellenan con material granular. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de un rompeolas con celdas circulares de acero.

•    Cálculo de fuerzas de oleaje

Las fuerzas de oleaje ejercidas una pared vertical pueden ser debidas al oleaje sin romper, en rompiente con frente vertical o con aire entrapado, y colapsado. Una estructura es sometida a cada tipo de oleaje dependiendo de las características del mismo, la profundidad del agua, la pendiente del fondo marino delante del rompeolas y de la geometría de la estructura.

Para el caso de ola no rompiente la variación de presión en la pared se presenta casi en fase con el oleaje de forma que se dice que son cargas cuasiestáticas o pulsantes, y su periodo es mayor al de vibración de la estructura. Si es rompiente de frente vertical, se da un pico en la fuerza sobre la pared del orden de centésimas de segundo. Cuando la ola entrapa aire, se da un doble pico en milésimas o centésimas de segundo cada uno, y un periodo de oscilación de 0,2 a 1 segundo. El oleaje colapsado se presenta cuando hay taludes de enrocamiento o pendientes largas frente a la pared.

En el caso de estructuras de paredes verticales a mayor ola, mayor fuerza sobre la pared, por lo que generalmente ésta es la que se usa para el diseño. Algunas fórmulas son aplicables sólo a ondas regulares o sea con el mismo periodo y altura, y se usan sólo por simplicidad. La presión hidrodinámica de la ola consiste en dos componentes variables que son la presión hidrostática y la presión dinámica. Dos de las fórmulas más ampliamente usadas para el cálculo de presiones de olas sobre paredes verticales son las de Sainfluo y la de Goda.

•    Efectos del ángulo de incidencia del oleaje

Como es de esperarse, olas incidiendo oblicuamente a una pared vertical tienen menor fuerza de impacto que una ola golpeando perpendicularmente. Existen dos efectos que produce el oleaje incidente a un ángulo. Uno es la reducción de la presión en la pared respecto a un ataque frontal, o reducción de fuerza por la presión de punto. Las pruebas en modelos han demostrado que se puede considerar éste incluido en la fórmula de Goda.

Por otra parte, al entrar la ola en ángulo, las presiones pico no se dan simultáneamente frente a la pared, lo que se denomina reducción de fuerza por retraso en el pico. Con Ls la longitud del rompeolas, la reducción de la fuerza (rf) para olas regulares puede ser predicha por la fórmula de Batjes.

IV.4 Evolución playera por construcción de obras. Tiempo de llenado

La ingeniería de costas, en lo relacionado con los puertos, comienza con el desarrollo de las civilizaciones ancestrales a la par que el tráfico marítimo, quizás alrededor del 3500 a. C. Las dársenas, los rompeolas y otras obras portuarias fueron construidos manualmente y a menudo a gran escala.

Algunas de las obras portuarias son todavía visibles en unos pocos puertos que todavía hoy existen, mientras que otros han sido recientemente explorados por la arqueología subacuática. Muchas de las obras portuarias ancestrales han desaparecido tras la caída delImperio romano.
Muchos de los esfuerzos costeros ancestrales estaban dirigidos a las estructuras portuarias, con la excepción de algunos pocos lugares donde la vida dependía de las protecciones costeras. Venecia y su laguna es uno de esos casos. Las protecciones de las costas de Italia,Inglaterra y Holanda pueden ser rastreadas hasta al menos el siglo VI. En la antigüedad se comprendieron fenómenos como las corrientes del Mediterráneo y los patrónes eólicos, así como la conexión causa-efecto entre los vientos y las olas.

Roma introdujo muchas innovaciones revolucionarias en el diseño de puertos. Aprendieron a construir muros subacuáticos y se las arreglaron para construir sólidos rompeolas para proteger puertos completamente expuestos. En algunos casos puede que se empleara la reflexión de las olas para prevenir la colmatación. También emplearon rompeolas superficiales bajos para provocar la rotura de las olas antes de que alcanzaran los rompeolas principales. Fueron los primeros en dragar en Holanda para mantener el puerto en Velsen. Los problemas de colmatación de este puerto fueron resueltos cuando los muelles sólidos anteriores fueron reemplazados con nuevos espigones apilados de una forma abierta. Los romanos introdujeron también en el mundo el concepto de las vacaciones en la costa.

La amenaza de ataque desde el mar causó que muchas ciudades costeras y sus puertos fuesen abandonados. Otros puertos se perdieron debido a causas naturales como la rápidad colmatación, el avance o retroceso de la línea de costa, etc. La Laguna de Venecia fue una de las pocas áreas costeras pobladas que continuó con su prosperidad y con su desarrollo donde los informes escritos documentan la evolución de los trabajos de protección costera. Los conocimientos científicos e ingenieriles permanecieron vivos en el este, en Bizancio, donde el Imperio romano oriental sobrevivió seiscientos años mientras la Roma occidental decaía.

Edad Moderna

Leonardo da Vinci puede ser considerado el precursor de la ciencia de la ingeniería de costas, ya que ofreció ideas y soluciones frecuentemente con más de tres siglos de antelación de su aceptación general. Mientras que la ciencia avanzaba a grandes saltos, la construcción de puertos mejoró poco respecto de los métodos romanos después del Renacimiento. A principios del siglo XIX, la llegada de la máquina de vapor, la búsqueda de nuevos territorios y rutas comerciales, la expansión del Imperio Británico a través de sus colonias, y otras influencias, contribuyeron a la revitalización del comercio marítimo y renovaron el interés en las obras portuarias.

Siglo XX

Se produce una evolución de la protección costera y el paso desde la construcción de estructuras de defensa a la regeneración de playas. Anteriormente a 1950 la práctica general era usar estructuras duras de protección contra la erosión costera o contra los efectos de los temporales. Estas estructuras consistían normalmente en armaduras costeras tales como rompeolas y revestimientos o estructuras de trampas de arena tales como espigones en peine. Durante los años 1920s y '30s, los particulares y las comunidades locales interesadas protegieron muchas áreas de la costa usando técnicas de alguna manera ad hoc. En ciertas zonas de recreo, las estructuras han proliferado hasta tal extremo que la protección impide en la actualidad el uso recreativo de las playas. La erosión de la arena continuó, pero la parte posterior de la línea de la playa fijada se mantuvo, resultando en una pérdida de superficie de playa. La prominencia y el coste de estas estructuras llevaron a finales de los 1940s y a principios de los 1950s a la búsqueda de un método nuevo, más dinámico. Los proyectos ya no confiaron más en las estructuras de defensa costera en exclusiva, a medida que el desarrollo de técnicas fue reproduciendo las características protectoras de las playas naturales y de los sistemas dunares. El uso resultante de playas artificiales y dunas estabilizadas como enfoque ingenieril resultó un medio económicamente viable y medioambientalmente más amigable para disipar la energía de las olas y proteger los desarrollos costeros.

Durante los últimos cien años, el limitado conocimiento de los procesos de transporte sedimentario costero al nivel de las autoridades locales a menudo ha desembocado en medidas inapropiadas destinadas a combatir la erosión costera. En muchas ocasiones, tales medidas han resuelto localmente la erosión costera, pero han exacerbado los problemas erosivos en otras localizaciones -diez kilómetros más allá- o han creado otros problemas ambientales.


IV.5 Dimensionamiento de canales de navegación

Los canales de navegación de preferencia deberán ser rectos los de acceso tendera a ser normal a la costa o paralelos a la dirección predominante de los temporales.

Los canales de navegación interiores tendrán un cambión de dirección la curva entre dos tangentes no será mayor de 30° lo que equivale a un radio de  5E lo recomendable por seguridad para barcos mayores de 30,000 TPM es de un radio de 10E el ancho de la plantilla en las curvas del canal se aumentara un 30% respecto a la parte recta.

La determinación de la profundidad en el anterior del puerto depende fundamentalmente del canal de carga del barco, la densidad del agua u en menor magnitud de altura del laula y el asentamiento del barco ya que la velocidad tiende a cero.

Para la navegación de canales interiores debemos tomar en cuenta la densidad del agua dulce la cual aumenta en calada aproximadamente 3% dado que la embarcación de la entrada cruza la bocana a 5 ó 8 nudos de velocidad la distancia de frenado en el orden de los 5E contadas a partir que la popa del barco está en zona protegida por los rompeolas.
 

III.4.3 Integración del régimen anual (varias direcciones, diferentes alturas y frecuencias de oleaje).

Las olas son ondas que se desplazan por la superficie de mares, océanos, ríos, lagos, canales, etc.
Las olas del mar son ondas sísmicas (es decir, movimientos de un medio material) de las llamadas 'superficiales', que son aquellas que se propagan por la interfaz, entre dos medios materiales. En este caso se trata del límite entre la atmósfera y el océano. Cuando pasa una ola por aguas profundas (a una profundidad mayor a 1/20 de su longitud de onda), las moléculas de agua regresan casi al mismo sitio donde se encontraban. Se trata de un vaivén con una componente vertical, de arriba a abajo, y otra longitudinal, la dirección de propagación de la onda.

Hay que distinguir dos movimientos. El primero es la oscilación del medio movido por la onda, que en este caso, como hemos visto, es un movimiento circular. El segundo es la propagación de la onda, que se produce porque la energía se transmite con ella, trasladando el fenómeno con una dirección y velocidad, llamada en este caso velocidad de onda.

En realidad se produce un pequeño desplazamiento neto del agua en la dirección de propagación, dado que en cada oscilación una molécula o partícula no retorna exactamente al mismo punto, sino a otro ligeramente más adelantado. Es por esta razón por la que el viento no provoca solamente olas, sino también corrientes superficiales.

III.4.2 Fórmulas empíricas

Para determinar el transporte litoral en la zona de estudio, el procedimiento es el siguiente:

1.-Se requiere de la observación del sitio de estudio y del análisis de la evolución de la línea de playa en diferentes años; la ejecución de estas actividades se realizará de acuerdo con lo indicado en el Manual M•PRY•PUE•1•07•002, Reconocimiento de Zonas Costeras.

2.-Con base en los requisitos que se señalan en la Cláusula D. de este Manual, definir de acuerdo con lo establecido en la Cláusula B., el o los tipos de transporte que se presentan en el área bajo estudio, mismos que deberán ser cuantificados.

3.-Para cada tipo de transporte identificado se seleccionará la formulación que más se apegue, según el rango de verificación experimental, a las condiciones de la zona de estudio, es decir, se comprobará que los datos de la condición experimental en que se basa cada una de las expresiones, sean lo más parecidos a las condiciones reales del sitio de estudio detectadas de acuerdo con la Fracción  1. de este Manual, teniendo en cuenta que si el Ingeniero o contratista de Servicios a cuyo cargo esté la ejecución del estudio de transporte litoral considera que de acuerdo con las características particulares de la zona no aplicara ninguna de las formulaciones indicadas en este Manual, deberá seleccionar el procedimiento que a su juicio considere el más apropiado, previa autorización de la Secretaría, indicando en el informe la justificación de tal decisión.

•    Transporte perpendicular a la línea de costa

En la Tabla 1 de este Manual se enlistan las formulaciones más comunes para determinar el transporte transversal.

•    Transporte longitudinal

En la Tabla 2 de este Manual se enlistan las formulaciones más usuales para determinar el transporte longitudinal.

•    Transporte por combinación de oleaje y corriente

En la Tabla 3 se presentan algunas formulaciones para determinar el transporte en estas condiciones.

4.- Una vez seleccionada la formulación más adecuada para cada tipo de transporte y de acuerdo con el caso particular bajo estudio, se procederá a ejecutarla y se obtendrá así el valor de la tasa de transporte.

En el caso de que más de una formulación sea aplicable, se debe calcular la tasa con cada una y el resultado será la tasa más desfavorable para el proyecto. Si el proyecto intenta acumular o atrapar arena, lo deseable es un gasto de transporte alto, en ese caso el escenario desfavorable es un transporte pequeño.

III.4.1 Métodos de campo.

Las técnicas para medir el transporte litoral se pueden clasificar en cuatro categorías:

1) Realización sistemática de sondeos topográficos y batimétricos alrededor de un obstáculo,  prolongado perpendicularmente desde la costa (espigón de prueba), o mediante sondeos sistemáticos en una trampa de sedimentos (dragado de prueba).
2)   Mediante el uso de algún tipo de trampa de sedimentos.
3)    A través de la aplicación de la técnica de trazadores fluorescentes, o de trazadores radioactivos.
4)    Mediante el desarrollo de algún tipo de detector para el movimiento de sedimentos.

La primer técnica es un método efectivo, pero ordinariamente muy caro. El segundo y cuarto métodos están ahora en desarrollo. Por tanto, la aplicación del tercer método se considera el más conveniente y el más barato, particularmente hablando de los trazadores fluorescentes.

En la técnica de trazadores para la medición del transporte litoral, se tienen dos tipos; uno es el trazador radioactivo y el otro el trazador fluorescente. El radioactivo tiene muchas ventajas en comparación con el fluorescente, pero es restringido física y socialmente. El trazador fluorescente, aunque de menor eficiencia que el radioactivo en los trabajos de campo y en los análisis del laboratorio, pero puede emplearse sin algún daño en algún lugar específico.

Los trazadores radioactivos se fabrican mediante aplicación de neutrones en un reactor atómico sobre arena de vidrio, que tiene la misma densidad y distribución de tamaños de los granos de la arena natural, y contiene alguna cantidad de material radioactivo tal como cobalto (59Co). La radiactividad se controla por la cantidad y contenido del material radioactivo. El movimiento de los trazadores se detecta mediante contadores Geiger-Muller.

Por su parte los fluorescentes se hacen recubriendo la arena natural con pinturas fluorescentes, debido a que tienen menor densidad que la arena natural; la densidad de los trazadores es ligeramente menor al de la arena natural.

En este método después de la inyección de los trazadores fluorescentes, los materiales del fondo del mar se muestrean en muchos puntos alrededor del punto de inyección, y el número de granos del trazador fluorescente de la muestra se cuenta visualmente bajo la iluminación de luz ultravioleta. Es posible obtener la VIII concentración de los trazadores mediante la curva de correlación definida por la concentración de los trazadores, y el número de fluorescentes cuantificados obtenidos en principio.

III.3 Perfiles playeros de equilibrio.

Se define perfil de playa como la variación de la profundidad, h, con la distancia a la línea de costa, x, en la dirección normal a ésta: h = f(x). Todos los perfiles de playa presentan una forma cóncava hacia arriba. Esta regularidad ha permitido el desarrollo de diferentes expresiones matemáticas que describen el perfil y la introducción del concepto de perfiles de equilibrio.

El concepto de perfil de equilibrio ha sido definido por diferentes autores. La primera mención se debe a Fennema (1902): Existe un perfil de equilibrio, al cual el agua dará lugar en último término, si se le permite completar su trabajo. Más reciente, Larson (1991) describió el perfil de equilibrio como: Una playa con un tamaño de gramo determinado, expuesta a unas condiciones constantes de oleaje, desarrollará una forma del perfil que no presentará ningún cambio neto con el tiempo. Por lo tanto, cuando un perfil alcanza el equilibrio, existirá un balance de fuerzas en cada perfil, tal que el transporte neto sea nulo.

III.4 Cuantificación del transporte litoral.

Se han desarrollado y propuesto una gran cantidad de métodos para cuantificar el transporte de sedimentos. Cada uno de ellos sirve para obtener alguno de los componentes de la carga de sedimentos.

El transporte se sedimentos por unidad de ancho de canal, o sea el transporte unitario de

Sedimentos, se expresa en peso y se designa con la letra gx o en volumen y se designa con la letra Sx. El volumen obtenido con las ecuaciones de transporte es el ocupado por las partículas sólidas sin dejar huecos entre ellas, por lo tanto la relación entre gx y Sx es:

   Gx=Λssx

gx = transporte unitario de sedimentos expresado en peso (kg/s – m)

sx = transporte unitario de sedimentos expresado en volumen [m3/s-m]

TEMA III SISTEMAS PLAYEROS
OBJETIVO: Interpretar la morfología costera y equilibrio playero. Cuantificar el transporte litoral.

III.1 DEFINICIONES Y CLASIFICACIÓN DE COSTAS

COSTA: La costa es la separación entre la tierra y el mar, con influencia mixta. Los factores que controlan el desarrollo de las costas, son los aportes, el clima, la hidrodinámica, la tectónica y el eustatismo. El factor principal, es el rango mareal, dando así costas micro, meso y macro mareales. En las micro mareales, la carga de fondo, se dispone de forma paralela a la línea de costa, y el numero de bocanas es escaso, mientras que en las meso macromareales, el numero de bacanas es mayor, y los sedimentos se disponen perpendicularmente a la línea de costa; en las macro mareales, se dan sobre todo llanuras mareales y estuarios.

CLASIFICACION

-Según el tipo de erosión.
-Según los movimientos epirogénicos.
-Según el sustrato dominante.
-Según el grado de exposición al viento y a las olas.


III.2 ORIGEN Y MOVIMIENTO DEL MATERIAL PLAYERO

Las playas son quizás uno de los ecosistemas con menor diversidad biológica, debido a su homogeneidad física, su baja bioproductividad y elevada turbulencia. No obstante, las etapas juveniles de muchas especies de peces transitan por este biotopo, especialmente en aquellas donde existe vegetación marina, o se encuentran ubicadas en aguas interiores, donde es mayor el aporte de nutrientes y menor la turbulencia. Sirven además de sitio de nidificación de diversas especies de aves marinas y de las tortugas marinas, especies de gran interés para la conservación. En algunos casos también pueden ser importantes zonas de cría de peces comerciales.

En las playas, las principales afectaciones ambientales han sido provocadas por el inadecuado uso de la zona costera: invasión del litoral por el urbanismo, la deforestación y la construcción de viales sobre la misma línea de costa, la siembra de especies no compatibles con este frágil ecosistema, como es el caso de las casuarinas, y otras.

El control de estos procesos, se logra por dos vías: la eliminación de los agentes erosivos y la alimentación artificial de arena. Un ejemplo concreto es el de la playa de Varadero, cuyo programa de recuperación incluye: regulaciones para la ubicación de las nuevas instalaciones turísticas, eliminación de las construcciones existentes sobre la duna y suministro de arena.

El origen de las playas es variado según sea la fuente que aporta la arena, algunas son biogénicas, otras se forman por la acumulación sedimentos oolíticos - biogénicos y también pueden formarse por la acumulación de arenas fluviales o por la abrasión costera. Estas acumulaciones son frágiles y aunque en muchos casos su erosión acelerada se debe al mal manejo, también se produce erosión por causas naturales.

EROSION EN LAS PLAYAS

II.2.5 Medición de campo.

El instrumento con el que se mide la marea se denomina ‘mareógrafo’ y los hay de muy diversos tipos. Desde una simple regla graduada, fija y sumergida en el agua, atendida por un observador que ve el nivel del agua en la graduación de la regla y manualmente anota su observación en un cuaderno de registro, hasta un dispositivo electroacústico encapsulado y conectado a una computadora, con comunicación hacia algún satélite y totalmente automatizado.

En la figura anterior se puede apreciar un mareógrafo tradicional, así como un mareógrafo moderno con transmisión de información por satélite.

Los parámetros indispensables en la medición de la marea son:

•  La altura del nivel del mar y su continua evolución temporal con respecto a un nivel de referencia fijo, una vez que se ha eliminado el efecto del oleaje local.
•  El tiempo (momento) en que se realiza cada medición de la altura del nivel del mar, referido al sistema internacional de medición del tiempo.
•  Las coordenadas geográficas tridimensionales precisas, latitud, longitud y altura con respecto a un ‘nivel de referencia fijo’ con relación al cual se mide localmente el nivel del mar.
•  Las coordenadas geográficas tridimensionales precisas, latitud, longitud y altura con respecto a un ‘nivel de referencia fijo’ con relación al cual se mide localmente el nivel del mar.

El propósito es medir, en un lugar dado, el nivel del mar con respecto a un nivel de referencia en tierra firme, una vez eliminado el efecto del oleaje local. Tradicionalmente, esto se logra midiendo el nivel del mar en un entorno que no esté perturbado por las olas, como puede ser un muelle en el interior de un puerto. Pero las olas provocadas por el tráfico de las embarcaciones también pueden contaminar las mediciones. Por tal razón es usual que se use un tubo vertical fijo, suficientemente largo y bien sumergido en el agua para que las olas ni lo rebasen ni hagan vacío en él (figura). Se tapa el extremo sumergido del tubo para impedir el libre flujo del agua, pero se perforan orificios laterales con el diámetro necesario para que fluya (entre y salga) agua del tubo de manera tan lenta que filtre las oscilaciones del oleaje exterior, pero siempre en cantidad suficiente para que el agua en el interior del tubo represente realmente el nivel promedio del agua exterior. Una vez logrado este propósito, existen varios dispositivos para medir la distancia vertical que recorre el nivel del agua dentro del tubo. Uno muy común es un flotador conectado a una polea y a un mecanismo simple que registra de manera continua, en un rollo de papel, el lento sube y baja del nivel de agua dentro del tubo. Este dispositivo debe estar conectado también a un reloj que marque, con la mayor precisión posible, el momento en que se registra cada medición. De esta manera se obtienen los gráficos de la evolución de la marea en cada lugar donde ésta se mide. El uso de la tecnología moderna ha permitido el diseño y fabricación de instrumentos más convenientes para medir la marea.

 En la figuras anteriores se pueden apreciar algunas fotos de mareógrafos,así como algunas de las características de su instalación.

II.2.3 Correlación de niveles significativos a cuerpos costeros próximos a la estación oceanográfica.

Las lagunas costeras son depresiones en la zona costera que tienen una conexión permanente o efímera con el mar, pero del cual están protegidas por algún tipo de barrera. Su conformación estructural resulta de la interrelación de varios ecosistemas como el manglar, el río, el mar, los manantiales y la vegetación acuática sumergida, entre otros. Reciben y acumulan en abundancia materia orgánica y nutrientes que provienen de diversas fuentes y son transportados por el mar, los ríos y las aguas subterráneas. Por esta razón, entre las condiciones fundamentales para conservar la biodiversidad de estos ecosistemas está el mantenimiento de la conexión natural de sus fuentes de agua dulce y marina, la cual les confiere una alta variabilidad ambiental que a su vez se traduce en una alta productividad biológica, variedad de escenarios ambientales y alta biodiversidad.

    Gracias a su alta variabilidad ambiental y productividad, entre las funciones de las lagunas costeras destacan, tanto la de servir como sitios de crianza de muchas especies (peces, crustáceos, moluscos) que ahí encuentran refugio y alimento, como la de exportar los excedentes de producción de materia orgánica que fertilizan el mar adyacente, contribuyendo así a la productividad y biodiversidad regional.
   
Las ventajas naturales de las lagunas costeras y los múltiples servicios ambientales que ofrecen han provocado que sean intensamente aprovechadas por el hombre.

II.2.4 Clasificación de corrientes. Corrientes producidas por mareas.

Una corriente es el desplazamiento de una masa de algún fluido, ya sea líquido o gaseoso, en el caso de las corrientes marinas el fluido es el agua.

Las corrientes marinas son masas de agua con desplazamientos propios dentro de los océanos con profundidades diversas y con determinadas direcciones. Pueden ser consideradas como "ríos dentro del océano".  Su existencia hasta ahora se atribuye a diferencias de temperatura y de salinidad entre masas de agua, a la rotación terrestre, a los vientos, etc.

Para muchos trabajos realizados en el mar, las corrientes marinas son un factor importante que se debe tener en cuenta en la caracterización de un área marina determinada.

• Corriente de arrastre: Ocurren en la superficie de la masa de agua, son por la acción directa del viento.  Son de mayor intensidad cuando el viento es constante sobre una masa de agua que es extensa, por ejemplo, los vientos alisios que soplan en el Atlántico y Pacífico creando corrientes de grandes masas de agua en dirección Oeste.

• Corriente de densidad: Se produce una variación de densidad entre las masas de agua situadas en distintas profundidades debido a diferencias de temperatura y salinidad entre ellas. La tendencia natural es a compensar esta diferencia de densidad, por lo que una de las masas se desplaza hacia la otra a una velocidad proporcional a la diferencia de densidad. Estas corrientes generalmente son suaves.  Las aguas más frías o con mayor salinidad son más densas y tienden a hundirse, mientras que las aguas más cálidas o menos salinas tienden a ascender. De esta forma se generan corrientes verticales unidas por desplazamientos horizontales para reemplazar el agua movida. Por ejemplo, el agua de la superficie puede sufrir un aumento de salinidad por evaporación y a partir de esto originarse una corriente en el sitio.

• Corrientes de mareas: Ocurren exclusivamente por la variación del nivel del mar debido a la atracción entre la luna y el Sol, y su dirección cambia a la vez que cambian las mareas. La velocidad de estas corrientes depende de la configuración de la costa, aunque suele ser muy intensa. Pueden llegar a ser un peligro para los buceadores y los barcos. Generalmente en altamar carecen de importancia.

•  Corrientes Oceánicas: Las corrientes oceánicas son desplazamientos de masas de agua debido a la acción del viento y las diferencias de temperatura y salinidad. Hay corrientes superficiales y corrientes profundas, así como las hay frías o cálidas según se originen en la zona del ecuador o en las cercanías de los polos. Las corrientes marinas transportan aguas frías a las regiones cálidas y vice versa, lo cual contribuye a un equilibrio de temperaturas oceánicas en el globo terrestre. En el mundo existe un sistema planetario de corrientes. Ellas están influenciadas por el efecto de Coriolis, según el cual, las del hemisferio norte se mueven en el sentido de los punteros del reloj y las del hemisferio sur, en sentido contrario. Las costas de Chile están recorridas fundamentalmente por la corriente fría de Humboldt y otras de menor envergadura. Un fenómeno característico que ocurre en las zonas más próximas a las costas chilenas son las surgencias, donde aguas profundas más frías emergen hacia la superficie del mar. Varias son sus causas, siendo las más relevantes, el relieve costero y el viento. En áreas de surgencias, la pesca es más productiva porque las aguas frías tienen más oxígeno y éste a su vez, permite mayor presencia de microorganismos que sirven de alimento a los peces.

• Corrientes que acompañan al oleaje y la marejada: Son las responsables de las grandes modificaciones del litoral en el curso de las tempestades, bajo el efecto de corrientes que pueden alcanzar velocidades de 0,50 m/s.